宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第39部分
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关于无序度随着时间增加的原因，玻尔兹曼提出了两种可能的解释。第一个是说，一开始世界就处于高度有序的状态，因此，之后最可能发生的事情就是走向无序（我们看到酒杯摔成碎片）。另一个是说，一开始宇宙的不同区域就有不同的有序度和无序度，分别表现出不同的行为；有一些更有序，有一些更混乱，但是生命必须存在于一个从有序出发走向无序的区域中。玻尔兹曼设想了无穷多个独立的世界，每个世界都形成于平衡状态的一次罕见的涨落，世界和世界之间相隔千山万水——要比从太阳到最近的恒星，如天狼星的距离还要远 10100倍。他没有告诉大家他更喜欢哪一种解释，甚至还将第二种解释归功于他多年的实验助手（舒茨博士）。＇58＇我们在第2章中说过，实际上这种解释十多年前就由英国工程师、物理学家塞缪尔·托尔弗·普雷斯顿在各种场合中提出了。＇59＇普雷斯顿后来到德国攻读博士学位，师从玻尔兹曼，并于1894年获得了学位。我很想知道这个神秘的“舒茨博士”是否真的就是塞缪尔·托尔弗·普雷斯顿。
第二个人择涨落的解释吸引了一些有趣的评论者。著名的法国数学家、物理学家亨利·庞加莱（Henri Poincaré，1854～1912）就喜欢这个解释，因为如果人类生存在一个非典型的涨落当中因而最终的大混乱并非不可避免的话，那么这就可能使人类免遭宇宙的熵达到最大时的终极热寂。英国生物学家霍尔丹（J。 B。 S。 Haldane，1892～1964）则认为，适合生命存在的涨落的出现几率极低，因而地球上的生命应该是独一无二的。因为如果附近还存在相似的生命形式的话，我们就不得不解释为什么会出现这么大（更大就意味着更不可能出现）、大到超出让地球产生生命所需的一个涨落。换句话说，霍尔丹关心的是，其实我们只需一个无序度在逐渐增加、能够维持生命进而产生观测者的涨落。这个涨落只要跟太阳系一样大就够了。这比宇宙的尺度小得多，因而更可能出现，而我们已经观测到宇宙在大尺度上是遵守热力学第二定律的。＇60＇在人择涨落的解释里，想要让整个可见宇宙无序度都像我们在地球所见的一样不断增加是极为不可能的。
这个古老的热力学问题在现代宇宙学中留下了两个残留的影响。一个是罗杰·彭罗斯提出的，宇宙现在正处于一种极端有序的状态中，所以140亿年以前的宇宙应该处于一种更加苛刻的有序状态之中。＇61＇宇宙学家不太相信这个说法＇62＇，因为测量宇宙无序度（或“熵”）的大小就等于测量了宇宙的年龄，任何产生了恒星并形成了碳元素的古老宇宙必然伴有一个巨大的熵。更重要的是，暴胀就是一种产生局部有序度的方法，它能将无序赶出我们的视界之外，这样它们就看不到了。我们并不知道宇宙在整体上是否处于低熵有序的状态。我们只知道可见宇宙的这一部分如何，因此不能推断出整个宇宙的初始状态都是高度有序的，或者说现在整个宇宙都处于一种极不可能出现的状态之中。
最近，玻尔兹曼的解释又在宇宙学研究中再次出现。他的人择涨落意味着，为了能够产生文明和像我们这样的智慧生物，偏离平衡状态的涨落就得足够大，而这种几率是极低的，因而宇宙中一定充满了更小、有序度更低、无躯骸且转瞬即逝的智慧生物。在这个解释中，这样的生物比我们更可能出现，并且在一个无限的宇宙中应该已经随机出现了无穷多次了。
这些生物被称为“玻尔兹曼式大脑”。由此我们要面对这样一个悖论：在宇宙中，随机产生玻尔兹曼式大脑及其黄粱一梦的虚假记忆的几率，比起产生数十亿像我们一样拥有自我意识以及错综复杂真实记忆的生命的几率要大得多。＇63＇然而，正如我们在这一章所说的，尽管宇宙可能是无限的，并在某种意义上处于无限的随机过程之中，但这并不是事情的全部。存在物理规律主宰着事物变化的方式，还存在物理机制驱动了宇宙的快速膨胀，使得我们只能看到无限多重宇宙的某一个小角落，并且可能是个有点不一般的角落。这些进展，不论它们是多么纯理论，它们都清楚地揭示了一点，即我们的存在以及其他智慧生物的存在，都是我们在思考宇宙和检验理论时所必须考虑的因素。观测者对宇宙学理论很重要，对宇宙也很重要。
第11章
非主流的宇宙
理论啊理论，多得数不胜数，像一阵秋风经过，落木萧萧而下，像暴风掀开了巨大的造纸厂，碎屑纷纷而上，又像黑压压的尘云，挟裹在思想的飓风里。在这场席卷一切的干旱中喘着粗气，我差点忘了，每一粒尘埃之中都会带有一些真理的种子，大部分最后都干枯死亡了，但也有一些会活下去，产生更多的种子，变得至关重要。
——奥拉夫·斯德普尔顿（1886～1950，英国科幻小说家）＇1＇
黏合拓扑的宇宙
雷丁是个很有意思的地方，甚至连最推崇雷丁的人都喜欢提到它离别的地方很近。“从伦敦市中心坐火车到这里只要25分钟”，值班经理热情洋溢地说。“做大巴去希斯罗机场只要45分钟！”购物中心的咖啡店女服务员说。
——英国航空《商业生活》杂志＇2＇
如果宇宙能从“无”中产生而不违反物理定律的话，也许用这些定律就可以描述宇宙的创生了。相信宇宙存在开端的宇宙学家都习惯认为，物理定律在那个时刻失效了。物理定律是和空间、时间和实体的宇宙一起冒出来的。我们所有关于“其他”宇宙和多重宇宙的讨论则对这一观点提出了质疑。渐渐地，我们发现我们的宇宙只不过是自然法则的一个产物，也许只是多重宇宙的一部分：永恒历史中的一小段局部事件。尽管这种想法有点贬低了环绕我们四周的广袤宇宙，但它同时又抬高了自然法则的地位。自然法则似乎容许更多宇宙的存在。整个20世纪中，宇宙学家都在研究从爱因斯坦方程组中得到的各式各样的宇宙模型，可是他们又希望会有某种特别的原理，或是初始状态，可以让他们从中挑出一个最真实的宇宙模型来。现在，出人意料地，我们发现在多重宇宙中可以存在很多可能的宇宙，甚至是所有可能的宇宙。
从无中最有可能产生哪种类型的宇宙呢？所有遵守爱因斯坦方程组的宇宙的能量和电荷似乎都是零。这两个物理量和另外一个物理量在所有物理过程中都保持守恒，是最重要的三个物理量。能量和电荷都可以到处流动、重新分布，但如果你分别计算它们的总和，把正值和负值加在一起，最后的结果一定是不变的。物体之间的差异还体现在第三个重要的守恒量，也就是角动量上。这个量度量了物体的旋转程度，而我们已经知道爱因斯坦方程组虽然要求能量和电荷是零，但并没有要求角动量也是零。哥德尔发现可能存在旋转的宇宙，但是我们还没有找到任何与宇宙总的旋转程度有关的证据。而且我们也没有指望能找到这样的证据，因为如果宇宙发生过暴胀，那么暴胀就会将任何初始的旋转减弱到无法观测的水平。＇3＇
1973年，美国粒子物理学家爱德华·特赖恩＇4＇设想了这样一种情况（帕斯库尔·约尔丹和乔治·伽莫夫以前也考虑过＇5＇）。他提出，宇宙也许不过是量子真空中的一个虚拟涨落。量子真空会受到海森堡不确定性原理的限制。这个原理认为，我们无法同时知道自然界中任何事件的位置和动量的精确信息，也无法同时知道时间和能量的精确信息。在这个图景中，特赖恩认为我们的宇宙可能“只不过是间或发生的那些事中的一员”。不确定性原理关于能量–时间的表述是，一个涨落持续的时间和能量的乘积大于一个物理常数（Δt×ΔE＞h）。＇6＇“这说明一个能量为零的涨落——比如我们的宇宙——可以拥有无穷长的寿命。”涨落最有可能的寿命实际上是 10…43秒。微小的、转瞬即逝的涨落如果要变得像宇宙一样广袤，一样持久，那么就必须有暴胀作用在涨落之上。特赖恩没能解释为什么我们的宇宙存在了如此之久，因为八年之后才会出现暴胀理论。他所能做的就是利用长寿的大型真空涨落的稀缺性来解释这个矛盾，这种解释也是一种人择原理，因为非常稀有的涨落是观测者出现的必要条件：
然而，这种情况的逻辑是，观测者总是发现自己生活在一个能够产生生命的宇宙中，而且这样的宇宙一定非常宽广。我们不可能看到一个寿命低于1010年的宇宙，不然智人就无法演化出来了。
如果要进一步完善这个想法，我们就得考虑宇宙诞生时最可能拥有什么样的性质。假设宇宙的大小是有限的。这样的宇宙还有很多，尺寸各不相同，我们已经知道为什么自己必然生活在其中一个大尺寸的宇宙中，尽管宇宙初始的尺寸可能很小，而且经历了暴胀。另一个我们必须考虑的问题是，满足这些条件的宇宙拥有什么样的拓扑性质呢？
我们已经知道，爱因斯坦方程组能够描述平坦的或者弯曲的宇宙空间。宇宙中的物质分布决定了空间的局部形状，但这并不能告诉你空间整体形状的全部信息。有一个全局的性质还没有被爱因斯坦方程组确定下来，我们必须假设这种性质拥有某种简单的（或者更复杂）的形式。这种性质叫做宇宙的“拓扑”。1922 年，亚历山大·弗里德曼在发现第一个曲率为正和曲率为负的膨胀宇宙解时，就立刻意识到了拓扑性质的重要性。
拓扑性质和几何性质有所不同。在第 2章中，我们讲过弯曲的表面遵循的是非欧几何。让我们把这个想法稍微扩展一下。为了确定一个曲面的曲率，我们在上面标记三个不同的点，A点、B点和 C点。将三个点分别用曲面上存在的最短路径连起来，A到B，B到C，C到A。在一个平面上，我们就得到了一个三角形，内角和是180度。在一个球面上，三角形的边由弯曲的弧线组成，内角和大于 180度，于是这个表面就是正曲率的。在马鞍的表面，三角形的边向内弯曲，内角和就小于180度，于是这个表面就是负曲率的。现在，我们考虑一个平面，其中三角形的内角和等于 180度。将三角形画在一张纸上。把纸卷起来，形成一个圆柱体，让三角形露在外面。仔细观察圆柱体表面的三角形，你会发现它的三条边仍然是直线，内角和仍然是180度。
奇怪吧，圆柱体表面的几何竟然不是弯曲的。能区别柱面和平面的性质就是它们的总体拓扑性质。用这种方法改变拓扑，就可能产生戏剧性的效果。对于宇宙来说，如果它拥有平坦的欧几里得几何，沿着各个维度无限延伸，那么它的体积就是无限的。但如果它卷成一个圆柱并头尾相接，形成一个三维的环状甜甜圈，虽然其中的空间处处都是平坦的，但此时的体积却是有限大的（图11。1）。这就是为什么正曲率空间的体积是有限大的原因。但弗里德曼非常谨慎，没有说平坦的和负曲率的空间体积就是无限大的。他以圆柱体为例，指出将空间的每个维度都黏合起来，就能造出一个体积有限但空间可以是平坦的甚至是负曲率的宇宙�
